-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Härte in einer bestimmten Tiefe eines zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
-
In der
DE 10 2012 023 864 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Einhärtungstiefe an einem zumindest bereichsweise gehärteten Bauteil beschrieben, wobei in zumindest einem zu prüfenden Bereich ein Material des Bauteils ausgehend von einer Bauteiloberfläche des Bauteils bis in zumindest eine vorgegebene Tiefe abgetragen wird und auf einer durch den Materialabtrag in der vorgegebenen Tiefe erzeugten Prüffläche eine Härteprüfung durchgeführt wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ermittlung einer Härte in einer bestimmten Tiefe eines zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der Anlage wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Härte in einer vorgegebenen Tiefe eines insbesondere zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils wird die Ebene, in der die Härtemessung erfolgt, als ein senkrechter Abstand zwischen einer Bauteiloberfläche und der vorgegebenen Tiefe ermittelt.
-
Erfindungsgemäß wird die Härte teil- oder vollautomatisiert mit folgenden Schritten ermittelt:
- – Fixieren des Bauteils innerhalb einer Halterung,
- – Lagebestimmung der Bauteiloberfläche des Bauteils,
- – Abtragen eines Materials des Bauteils in zumindest einem zu prüfenden Bereich, ausgehend von der Bauteiloberfläche des Bauteils bis in zumindest eine vorgegebene Tiefe,
- – Ermitteln einer Härte auf einer durch den Materialabtrag in der vorgegebenen Tiefe erzeugten Prüffläche und
- – Herausbewegen des Bauteils aus der Halterung.
-
Nach dem Materialabtrag können optional eine Einglättung der Prüffläche und eine Bestimmung der beim Materialabtrag erzeugten Tiefe, in welcher sich die Prüffläche befindet, erfolgen. Des Weiteren können zumindest die Schritte, umfassend das Abtragen, optionale Einglättung und Ermittlung der Härte, in Schleifen wiederholt werden.
-
Das Verfahren ermöglicht eine vollautomatische Präparation des Bauteils und Ermittlung der Härte an exakt definierten Stellen, zum Beispiel in einer Randschicht des Bauteils, mit einem geringen Zeit- und Kostenaufwand. Das Verfahren stellt dabei einen Schnelltest in der Produktionskette des Bauteils dar, dessen Ergebnis zuverlässig angibt, ob eine Härte in einer vorgegebenen Mindesthärtetiefe des Bauteils vorhanden ist und ob gegebenenfalls eine weiterführende Analyse erforderlich ist. Aufgrund der Vollautomatisierbarkeit des Verfahrens werden ein Gewährleistung- und Kulanzrisiko sowie Kapazitätsaufwand und -kosten gegenüber dem Stand der Technik verringert. Des Weiteren ermöglicht das Verfahren eine automatische Kalibrierung an Referenzteilen sowie eine Einsparung an Platzbedarf bei der Ermittlung der Härte in mindestens einer bestimmten Tiefe, da Schleifstationen nicht erforderlich sind. Zudem kann bei der Ermittlung der Härte eine Zerstörung des Bauteils vermieden werden, da das Bauteil nicht, wie im Stand der Technik beispielsweise bekannt, zu durchtrennen ist.
-
Die Ermittlung der Härte kann mittels einer Vielzahl bekannter Verfahren durchgeführt werden, zum Beispiel die Härteprüfung nach Vickers, die Härteprüfung nach Knoop, die Härteprüfung nach Brinell oder die Härteprüfung nach Rockwell. Nähere Informationen zu diesen Verfahren können der eingangs genannten
DE 10 2012 023 864 A1 entnommen werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisch ein Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Ermittlung einer Härte in einer vorgegebenen Tiefe eines zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils,
-
2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Bauteils in einer Halterung,
-
3 und 4 schematisch jeweils ein Härte-Tiefe-Diagramm eines zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils und
-
5 schematisch ein Blockschaltbild einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt schematisch einen beispielhaften Verfahrensablauf für ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Härte in einer vorgegebenen Tiefe eines zumindest bereichsweise gehärteten Bauteils 1. 2 zeigt das Bauteil 1 beispielhaft in einer Halterung 2 in Schnittdarstellung, insbesondere in einem Querschnitt.
-
Das Verfahren umfasst im Wesentlichen zwölf Verfahrensschritte S1 bis S12, welche besonders bevorzugt vollautomatisiert durchgeführt und im Folgenden näher beschrieben werden. Alternativ können einzelne der beschriebenen Verfahrensschritte S1 bis S12 beispielsweise jeweils teilautomatisiert oder manuell durchgeführt werden. Zusätzlich zu den nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritten S1 bis S12 können weitere Schritte in den Verfahrensablauf integriert werden. Ebenso können ein oder mehrere der Verfahrensschritte S1 bis S12 entfallen.
-
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird das Bauteil 1 mittels einer Fixiereinheit 3.1 (siehe 5) in der in 2 beispielhaft dargestellten Halterung 2 angeordnet und fixiert. Die Fixiereinheit 3.1 umfasst z. B. Klemmen oder Spannen.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird das in der Halterung 2 fixierte Bauteil 1 in eine in 5 schematisch dargestellte Anlage 3 bewegt, in welcher das Verfahren fortgeführt wird. Der zweite Verfahrensschritt S2 ist dabei ein optionaler Schritt und nicht zwingend Bestandteil des Verfahrens.
-
In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird mittels einer Lagebestimmungseinheit 3.2 (siehe 5) eine Lage einer Bauteiloberfläche bestimmt, wobei die Lagebestimmungseinheit 3.2 beispielsweise optische Sensoren umfasst. Dabei wird die Lage der Bauteiloberfläche in zumindest einem zu prüfenden Bereich des Bauteils 1 bestimmt. Das Bauteil 1 ist z. B. ein randgehärtetes Bauteil 1, welches nach dem Randhärten, ausgehend von der Bauteiloberfläche, einen gehärteten Bereich aufweist. Beispielsweise stellt das Bauteil 1 eine Nockenwelle für ein Fahrzeug oder einen Bestandteil einer solchen Nockenwelle dar.
-
In einem optionalen vierten Verfahrensschritt S4 wird die Bauteiloberfläche zumindest im zu prüfenden Bereich gereinigt und/oder geglättet. Dies ist beispielsweise mittels Verwendung chemischer Säuren oder Laugen, mittels sogenannter Pikosekunden-Laser oder Femtosekunden-Laser, mittels mechanischer Bearbeitungsverfahren, z. B. Spanen oder mittels Verwendung elektrochemischen Abtragens, möglich. Denkbar ist auch eine Kombination der genannten Bearbeitungsverfahren.
-
In einem optionalen fünften Verfahrensschritt S5 wird mittels einer Ermittlungseinheit 3.3 (siehe 5) eine Härte der Bauteiloberfläche bestimmt. Diese Härtebestimmung kann mittels bekannten Verfahren durchgeführt werden, die im eingangs genannten Stand der Technik erwähnt und beschrieben sind. Beispielsweise werden zur Härtebestimmung der Bauteiloberfläche mittels eines nicht dargestellten Härteprüfgeräts Härteeindrücke gesetzt und diese mittels eines Mikroskops mit einer bestimmten Messmöglichkeit vermessen und daraus die Härte ermittelt.
-
In einem darauffolgenden sechsten Verfahrensschritt S6, welcher ebenfalls optional ist, wird die Bauteiloberfläche gegebenenfalls nochmals mechanisch präpariert, wobei die Bauteiloberfläche analog zu den im vierten Verfahrensschritt S4 genannten Bearbeitungsverfahren gereinigt und/oder geglättet wird.
-
In einem siebten Verfahrensschritt S7 wird ein Material des Bauteils 1 mittels einer Abtrageeinheit 3.4 zumindest in einem zu prüfenden Bereich ausgehend von der Bauteiloberfläche bis in zumindest eine vorgegebene Tiefe abgetragen. Der zumindest eine zu prüfende Bereich befindet sich dabei zweckmäßigerweise im gehärteten Bereich des Bauteils 1. Das Material des Bauteils 1 wird zumindest teilweise mittels eines kalten, chemischen oder elektrochemischen Abtragverfahrens oder einer Kombination daraus abgetragen. Beispielsweise umfasst die Abtrageeinheit 3.4 einen sogenannten Ultrakurzpulslaser, z. B. einen sogenannten Pikosekunden-Laser, einen Femtosekunden-Laser oder einen Nanosekunden-Laser. Alternativ kann das Material des Bauteils 1 zumindest teilweise durch Erodieren oder geeigneter mechanischer Verfahren, z. B. Fräsen, Bohren, Schleifen, abgetragen werden. Denkbar ist auch eine Kombination der beschriebenen Verfahren zum Abtragen des Materials des Bauteils 1.
-
Wird mittels der genannten Abtragungsverfahren eine Grobkontur als Prüffläche für die erforderliche Härteprüfung erzeugt, folgt ein optionaler achter Verfahrensschritt S8, bei welchem eine Nachbehandlung der erzeugten Grobkontur erfolgt. Dabei wird beispielsweise mittels eines Pikosekunden-Lasers, eines Femtosekunden-Lasers oder mittels eines Nanosekunden-Lasers eine Fertigkontur als Prüffläche erzeugt. Alternativ kann auch eine mittels der genannten Abtragungsverfahren erzeugte Kontur als Fertigkontur für die erforderliche Härteprüfung verwendet werden.
-
In einem neunten Verfahrensschritt S9 wird mittels einer Tiefenbestimmungseinheit 3.5 (siehe 5) eine Tiefe des Bauteils 1 bestimmt, in welcher die Prüffläche lokalisiert ist. Die Tiefenbestimmungseinheit 3.5 umfasst dazu beispielsweise optische Erfassungselemente und wertet Daten dieser Erfassungselemente mittels entsprechender Bildauswertungsverfahren aus.
-
In einem zehnten Verfahrensschritt S10 wird eine Härte der zuvor erzeugten Prüffläche analog der im fünften Verfahrensschritten S5 genannten Verfahren ermittelt. Dabei kann beispielsweise ermittelt werden, ob eine vorgegebene Härte in einer Mindesteinhärtetiefe erreicht ist.
-
In einem elften Verfahrensschritt S11 können zusätzlich weitere Prüfflächen erzeugt und deren Härte bestimmt werden, wobei für die weiteren zu erzeugenden Prüfflächen die Verfahrensschritte S6 bis S10 wiederholt werden. Dabei ist es auch möglich, die Materialabtragung schrittweise durchzuführen und nach jedem Materialabtragschritt eine Härteprüfung analog zum zehnten Verfahrensschritt S10 durchzuführen. Dabei kann beispielsweise ermittelt werden, ob die Härtung des Bauteils 1 derart erfolgt ist, dass die gewünschte Härtegeometrie erreicht wurde.
-
Des Weiteren ist es möglich, Härteprüfungen an anderen Stellen im Bauteil 1 durchzuführen, wobei eine Position des Bauteils 1 in der Halterung 2 verändert oder beibehalten wird. Hier werden ebenfalls die Verfahrensschritte S6 bis S10 wiederholt.
-
In einem zwölften Verfahrensschritt S12 wird das Bauteil 1 mittels einer Einheit 3.6 (siehe 5) aus der Halterung 2 herausbewegt. Die Einheit 3.6 umfasst beispielsweise eine Ausschleusvorrichtung.
-
Die 3 und 4 zeigen jeweils ein Diagramm mit einer Ordinate y und einer Abszisse x, in welchem eine Messkurve K mit diskreten Werten dargestellt ist. Auf der Ordinate y ist dabei jeweils eine Härte aufgetragen, wobei auf der Abszisse x jeweils eine Materialtiefe, gemessen als senkrechter Abstand ausgehend von einer Bauteiloberfläche zu einer vorgegebenen Tiefe, aufgetragen ist. Die Messkurven K stellen somit eine Härte des Bauteils 1 in Abhängigkeit einer Materialtiefe dar.
-
Ein in 3 gezeigter Bereich B1 stellt dabei einen für eine definierte Materialtiefe x1 erlaubten Härtebereich dar. Dabei wird überprüft, ob sich die gemäß dem zehnten Verfahrensschritt S10 ermittelte Härte im Bereich B1 befindet.
-
Alternativ oder zusätzlich kann auch überprüft werden, ob – wie in 4 dargestellt – eine vorgegebene Härte y1 in einem definierten Materialtiefenbereich x1–x2 liegt.
-
Das beschriebene Verfahren ermöglicht die Ermittlung der Einhärtungstiefe, zum Beispiel an einem randschichtgehärteten Bauteil 1, mit einem geringen Zeit- und Kostenaufwand. Dabei kann insbesondere eine Zerstörung des Bauteils 1 vermieden werden, da das Bauteil 1 nicht zu durchtrennen ist. Das Bauteil 1 kann danach, da es nicht durchtrennt wird, unter Umständen noch verwendet werden, wenn die Härteprüfung außerhalb einer Funktionsfläche durchgeführt werden kann und das Bauteil 1 in seiner Festigkeit nicht zu stark beeinträchtigt ist. Des Weiteren ist auch keine zeitaufwändige und oft nur manuell durchführbare metallografische Präparation des Bauteils 1 vor der Härteprüfung erforderlich. Es sind zudem weder Einbett- noch Schleif-/Poliermittel erforderlich, so dass gegenüber dem Stand der Technik eine Kostenreduzierung erreicht ist. Zudem wird mittels des Verfahrens auf einfache Weise auch eine flächenhafte Härtemessung ermöglicht.
-
Durch die vollautomatisierte Durchführung des Verfahrens erfordert die Ermittlung der Einhärtungstiefe nur einen geringen Zeitbedarf, wodurch eine sehr schnelle Kontrolle möglich ist, ob beispielsweise eine Grenzhärte in einer vorgegebenen Einhärtungstiefe erfüllt ist, beispielsweise die Grenzhärte in einer Mindesteinhärtetiefe DS gemäß EN10328. Hierfür ist es lediglich erforderlich, das Material des Bauteils 1 bis in die vorgegebene Mindesttiefe, beispielsweise bis in die Mindesteinhärtetiefe DS, abzutragen und auf diesem Tiefenniveau die Härteprüfung durchzuführen.
-
Des Weiteren können mittels des Verfahrens mehrere Stellen des Bauteils 1, auch benachbart, gemessen, d. h. härtegeprüft werden. Dabei können auch flächenhafte oder orthogonale/winklige Auswertungen gleichzeitig durchgeführt werden. Zudem können Fehlmessungen reduziert werden, wobei z. B. eine bauteilspezifische Halterung 2 und definierte Messprogramme verwendet werden.
-
Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren die Härteprüfung auch an ultraharten, dünnen, weichen oder spröden Werkstoffen, bei welchen eine Präparation sonst nur mit einem hohen Aufwand möglich ist. Dies ist durch die weitestgehend kraft- und wärmefreie Bearbeitung im Rahmen des Verfahrens möglich. Als Werkstoffe eignen sich für das Verfahren z. B. Stähle, Gussteile aus Aluminium oder Grauguss, Keramiken, Kunststoffe, Verbundstoffe und dgl. mehr, da für eine Materialabtragung mittels Laser eine Vielzahl von Werkstoffen geeignet ist.
-
5 zeigt ein Blockschaltbild der Anlage 3, umfassend die Fixiereinheit 3.1, die Lagebestimmungseinheit 3.2, die Ermittlungseinheit 3.3, die Abtrageeinheit 3.4, die Tiefenbestimmungseinheit 3.5 und die Einheit 3.6 zum Herausbewegen des Bauteils 1 aus der Halterung 2. Zusätzlich zu Komponenten der Anlage 3 können weitere Komponenten vorgesehen sein. Ebenso können eine oder mehrere der Komponenten entfallen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012023864 A1 [0002, 0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
